一種應(yīng)用于虛擬仿真的分層動態(tài)路徑規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬仿真中的路徑規(guī)劃，具體涉及基于地理信息系統(tǒng)真實數(shù)據(jù)的虛擬仿真、虛擬仿真中的路徑規(guī)劃和多線程編程。
【背景技術(shù)】
[0002]路徑規(guī)劃是虛擬仿真等應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要研究內(nèi)容。常用的路徑規(guī)劃方法主要有狀態(tài)空間探索和啟發(fā)式搜索兩類。
[0003]狀態(tài)空間搜索將問題的求解過程表示為從初始狀態(tài)直到目標(biāo)狀態(tài)的全過程。由于求解過程中求解條件的不確定性和不完備性，一般會出現(xiàn)多條求解路徑，所有求解路徑構(gòu)成的圖即所謂的狀態(tài)空間。問題的求解過程實際上是要在狀態(tài)空間中尋找一條從起點到目標(biāo)點的路徑，稱該尋找過程為狀態(tài)空間搜索。常見的狀態(tài)空間搜索方法有深度優(yōu)先搜索和寬度優(yōu)先搜索。狀態(tài)空間搜索法存在著一個自身缺陷就是需要在一個給定的狀態(tài)空間中實施窮舉。
[0004]啟發(fā)式搜索與狀態(tài)空間搜索有著密切聯(lián)系但又有一定的區(qū)別。啟發(fā)式搜索的主要思路是在寬度優(yōu)先搜索的同時，先將下一層的所有節(jié)點通過一個估價函數(shù)進行過濾，然后再決定搜索方向。該方法在一定程度上縮小了搜索范圍，從而在整體上提高了搜索速度。啟發(fā)式搜索的核心是估價函數(shù)F (x)，設(shè)F (x) =G (x) +H(X)，其中G (x)為從初始狀態(tài)到當(dāng)前狀態(tài)的實際代價，而H(X)則是從當(dāng)前狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的估計代價，即估計需經(jīng)過多少步才能到達目標(biāo)點。擴展節(jié)點時，先將所有節(jié)點的F(X)值從小到大進行排序，然后對F(X)值較小的節(jié)點進行擴展。就地圖尋徑問題而言，可將H(X)定義為節(jié)點到目標(biāo)點的直線距離。顯然，如此定義的H(X)可以完全滿足上述估價函數(shù)值達到最小值的要求，即保證了所尋找到的路徑為最短路徑。
[0005]與狀態(tài)空間搜索算法存在窮舉局限性相比，啟發(fā)式算法計算效率高，已成為路徑搜索算法的主流。隨著計算機硬件性能的提高，其在虛擬智能等領(lǐng)域取得了很大的成就。然而，當(dāng)前虛擬仿真中的地圖數(shù)據(jù)規(guī)模迅速增長，導(dǎo)致啟發(fā)式算法的搜索空間急劇擴展，算法時間復(fù)雜度呈指數(shù)膨脹，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種高效的適用于大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的虛擬仿真動態(tài)路徑規(guī)劃方法，能夠為各種相關(guān)應(yīng)用中的路徑規(guī)劃提供解決方案和性能加速。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，一種分層的虛擬仿真動態(tài)路徑規(guī)劃方法，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和運行時實時動態(tài)路徑規(guī)劃兩個階段。
[0008]數(shù)據(jù)預(yù)處理階段步驟如下:
[0009](I)將大規(guī)模地表屬性數(shù)據(jù)劃分為小數(shù)據(jù)塊；
[0010](2)預(yù)處理每一小數(shù)據(jù)塊，生成分塊地圖代價文件、分塊路徑規(guī)劃文件以及粒度較粗的高層地圖代價文件；
[0011](3)以配置文件的形式組織管理預(yù)處理數(shù)據(jù)塊文件的索引路徑，以便于高效映射訪問。
[0012]實時運行階段步驟如下:
[0013](I)使用高層次地圖代價文件進行粗粒度的路徑規(guī)劃；
[0014](2)基于運動趨向進行數(shù)據(jù)預(yù)測，并采用LRU算法對分塊路徑規(guī)劃文件進行多線程異步調(diào)度；
[0015](3)針對每一數(shù)據(jù)塊路徑規(guī)劃文件所記錄的預(yù)計算路徑，動態(tài)選擇相對較優(yōu)的路徑進行拼接完成大規(guī)模地形環(huán)境下的路徑規(guī)劃。
[0016]與以往路徑規(guī)劃算法不同，本發(fā)明利用分層的思想優(yōu)化了啟發(fā)式搜索的數(shù)據(jù)訪問，在保證仿真系統(tǒng)實時平穩(wěn)運行的同時，可以較好地解決虛擬實體在大規(guī)模地域范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃問題，算法性能優(yōu)越，在虛擬仿真等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0017]圖1地形總體配置文件示意圖
[0018]圖2分塊地圖代價文件代價預(yù)處理流程圖
[0019]圖3分塊路徑規(guī)劃文件示意圖
[0020]圖4地形分塊路徑規(guī)劃預(yù)處理過程示意圖
[0021]圖5運行時分層路徑規(guī)劃策略處理流程圖
[0022]圖6頂層路徑規(guī)劃結(jié)果中的地形塊相對關(guān)系圖
[0023]圖7分塊文件多線程異步調(diào)度流程示意圖
[0024]圖8基于運動趨勢的LRU頁面置換算法流程圖
[0025]圖9分層動態(tài)路徑規(guī)劃總體示意圖
[0026]圖10系統(tǒng)運行框架圖
[0027]圖11性能測試的運行效率折線圖
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明的核心思想是建立一種可適用于大規(guī)模地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的動態(tài)路徑規(guī)劃方法，使用其在虛擬仿真等應(yīng)用中智能選擇最佳的路徑，同時提供良好的執(zhí)行性能，滿足應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定流暢運行的需要。
[0029]下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明中的系統(tǒng)框架、工作原理和文件格式等。
[0030]一、數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0031]數(shù)據(jù)預(yù)處理階段主要根據(jù)原始的地表文化特征數(shù)據(jù)按分塊的形式生成如下分塊文件:(1)地形總體配置文件，該文件實現(xiàn)了對預(yù)處理數(shù)據(jù)進行處理前對數(shù)據(jù)的配置功能；
(2)預(yù)計算地圖代價分塊文件，該文件主要用于針對每個地形分塊進行路徑規(guī)劃的預(yù)計算；
(3)分塊路徑規(guī)劃文件，該文件時是實現(xiàn)運行時大規(guī)模動態(tài)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。
[0032]I原始地表文化特征數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0033]國內(nèi)較為通用的地表文化特征數(shù)據(jù)一般都是以EOO格式存儲的，而該文件往往將河流、溝壑、道路等各類地表文化特征數(shù)據(jù)耦合在一起，不便于單層屬性的信息查詢。我們首先通過ARCGIS軟件對分層后的地表屬性數(shù)據(jù)進行分塊處理，將原始數(shù)據(jù)進行分層轉(zhuǎn)換，即將原始綜合存儲的數(shù)據(jù)信息，分別按照河流、溝壑、道路及草地等屬性性質(zhì)進行分層存儲，然后將分層后的文件均以Shp和dbf等通用GIS格式進行存儲。
[0034]2地形總體配置文件內(nèi)容定義
[0035]地形總體配置文件對整個大地形的文件分塊信息、各類分塊文件外存索引信息、各層地表文化屬性的權(quán)重參數(shù)進行了整體性的概括描述。地形總體配置文件在系統(tǒng)運行時應(yīng)常駐內(nèi)存，以便在進行路徑規(guī)劃時對預(yù)計算好的分塊地圖代價文件和分塊路徑規(guī)劃文件進行快速映射。同時，在地圖代價分塊文件和分塊路徑規(guī)劃文件的預(yù)計算過程中也需要通過該配置文件對相應(yīng)的分塊文件進行映射索引。
[0036]如圖1所示，地形總體配置文件在格式上大致分為3個段，其中[General]段是對整體信息的描述段；rowblocknumber項表示整個大地形每行分為多少塊；colIumblocknumber項表每列分為多少塊；filesizex項表每個分塊文件在X軸上所包涵的采樣點的多少；fiIesizey項表示每個分塊文件在Y軸上所包涵的采樣點的多少，Ieftbottomx項表示整個大地形左下角起始點的實際X坐標(biāo)值，Ieftbottomy項表示整個大地形左下角起始點的實際y坐標(biāo)值；rawdatafiIepath項、costfilepath項、toplevelcostmapfiIepath 項以及 precomputedpathfiIepath 項分別表不原始數(shù)據(jù)文件、預(yù)處理過程中生成的地圖代價文件、預(yù)計算生成的頂層地圖代價文件以及預(yù)計算生成的路徑記錄文件的外存存放路徑。
[0037][FILEINDEXID]段是分塊文件的索引管理段，分塊文件從左下角開始，自左向右、自底向上的方式進行排列。如:f00=00項表示最左下角的第一塊分塊文件的后綴索引號00,這樣便可以動態(tài)確定出該塊地形所對應(yīng)的各類文件的文件名，如demO0.dem、slopeO0.bmp、roadO0.shp、riverO0.dbf 以及 costO0.1ni 等，再通過[General]段所描述的路徑信息，便可以得到文件的外存存儲地址。
[0038][SL0PEFILEGENERAL]段對地形坡度分析的一些參數(shù)進行了描述，UNIT項表示每個采樣點坡度分析所考慮的范圍，如5m*5m，各個level項分別記錄了坡度的分級表示閾值，如10度以下的坡度可統(tǒng)一用Ievell的值來表示。這樣更便于快速解析某個采樣點處的坡度信息。
[0039][WEIGHTGENERAL]段描述了在進行地圖代價預(yù)計算時各層地表屬性數(shù)據(jù)對最終權(quán)重的懲罰系數(shù)，SLOPE項、ROAD項、RIVER項、DIRECT1N項分別表示坡度、道路、湖河深度以及坡向等屬性的代價計算權(quán)重因子。使用地形配置文件，可以方便的進行各類參數(shù)的修改而無需改變程序，并且可隨時增加數(shù)據(jù)段或數(shù)據(jù)項而無需修改配置文件的解析程序，方便了程序的進一步擴展和調(diào)試。
[0040]3分塊地圖代價文件生成方法
[0041]分塊地圖代價文件記錄了每塊地圖的每個采樣點的代價權(quán)值。圖2給出了每個采樣點的代價權(quán)值